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1、液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng) 亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案亭南煤業(yè)公司亭南煤礦西安科技大學(xué)西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司二oo八年三月六日亭南煤礦液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 方 案煤自燃是煤與氧自發(fā)產(chǎn)生的氧化放熱反應(yīng),煤自然升溫的實(shí)質(zhì)取決于氧化放熱速率和環(huán)境散熱速率的大小,如果氧化放熱速率占優(yōu)勢(shì)時(shí),才會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象。因此,通過(guò)控制煤的氧化環(huán)境來(lái)抑制煤自燃是一種有效的方法。我國(guó)煤礦安全規(guī)程規(guī)定,綜放開(kāi)采有自燃傾向性的煤層時(shí),要采用以注入惰性氣體為主的綜合防滅火措施。惰氣防滅火技術(shù)的主要目的是為了減少氧含量,降低煤氧化或燃燒的速度,可用于煤礦井下防滅火的惰性氣體主要有氮?dú)?、二氧化碳及燃料燃燒后形?/p>

2、的混合氣體等。用惰氣阻止煤體氧化和窒息火區(qū)的基本思想比較簡(jiǎn)單,在具體使用上主要需考慮兩個(gè)方面的問(wèn)題,一是能否供給防滅火現(xiàn)場(chǎng)有效的惰性氣體;二是在一定時(shí)間內(nèi)能否向現(xiàn)場(chǎng)輸送足夠的惰性氣體。早在五六十年代,世界上一些主要采煤國(guó)家就嘗試用氮?dú)鈦?lái)?yè)錅绲V井火災(zāi)獲得成功,隨后,這一防滅火技術(shù)得到了不斷應(yīng)用和發(fā)展。1988年,撫順局采用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)成功地防止了厚煤層綜采放頂煤工作面采空區(qū)的自然發(fā)火,為我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用起到了示范作用,目前,我國(guó)多數(shù)綜放工作面都采用注氮防滅火技術(shù)來(lái)防治采空區(qū)自然發(fā)火。二氧化碳?xì)怏w已被廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)的治理,它能在較短的時(shí)間內(nèi)控制和撲滅氣體、液體、固體和電氣火災(zāi),具有滅

3、火能力強(qiáng)、速度快、使用范圍廣、對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染等特點(diǎn)。co2氣體在礦井煤層火災(zāi)治理中也起到了積極作用,美國(guó)俄亥俄州曾用二氧化碳?xì)怏w惰化方法,防止煤的自燃,我國(guó)東北和山西等礦區(qū)也使用co2氣體治理過(guò)煤層火災(zāi),但由于co2氣體的生產(chǎn)成本和應(yīng)用工藝等問(wèn)題,使得該技術(shù)的推廣使用受到制約。隨著綜放采煤工藝的推廣應(yīng)用,co2防滅火技術(shù)與注氮防滅火技術(shù)相比,在初期投資、滅火效益等各方面都有其較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),這對(duì)防止采空區(qū)煤層自燃火災(zāi)有積極的作用,因而在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。1惰性氣體的防滅火原理惰性氣體分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,化學(xué)性質(zhì)極不活潑,在常溫、常壓條件下很難與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),即使在井下高溫火區(qū)內(nèi),也不會(huì)

4、與可燃性氣體或可燃性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。且隨著空氣中惰性氣體含量增加,氧氣含量必然降低,當(dāng)氧氣含量低至510時(shí),可有效抑制煤炭的氧化自燃,氧氣含量降至3以下時(shí),可完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復(fù)燃。基于惰性氣體的性質(zhì)及煤的氧化機(jī)理,向綜放面采空區(qū)及浮煤帶注入惰性氣體,使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及浮煤帶,降低這些區(qū)域的氧含量,形成惰化帶,從而能夠達(dá)到抑制浮煤自燃的目的。用惰氣防滅火和阻止瓦斯爆炸的過(guò)程稱為惰化,惰化后的火區(qū)因氧氣不足而不能燃燒和爆炸。惰氣的防滅火作用是使采空區(qū)等有關(guān)區(qū)域惰化,具體地說(shuō),惰性氣體的防滅火作用和特點(diǎn)是:1)惰氣可以充滿任何形狀的空間并將氧氣排擠出去,從而使火區(qū)中因氧含

5、量不足而將火源熄滅,或者使采空區(qū)中因氧含量不足而使浮煤不能氧化自燃;2)在有瓦斯和火存在的氣體爆炸危險(xiǎn)區(qū)內(nèi),注入惰氣能夠使可燃可爆性氣體失去爆炸性;3)向采空區(qū)或火區(qū)中注入大量惰氣后,可以使其采空區(qū)或火區(qū)呈現(xiàn)正壓狀態(tài),致使新鮮空氣難以漏入;4)在惰氣滅火過(guò)程中,不會(huì)損壞或污染機(jī)械設(shè)備和井巷設(shè)施,火區(qū)啟封后,可較快地恢復(fù)生產(chǎn);5)惰氣防滅火必須與均壓和其它堵漏風(fēng)措施配合應(yīng)用。否則,如果注入惰氣的采空區(qū)或火區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重,惰氣必然隨漏風(fēng)流失,難以起到防滅火作用。2液態(tài)二氧化碳的理化性質(zhì)及其惰化降溫作用二氧化碳分子量為44,在常溫、常壓下是無(wú)色略帶酸味的窒息性氣體,它在不同的壓力、溫度條件下有三種形態(tài),

6、其熔點(diǎn)為56.6(5.2個(gè)大氣壓),臨界溫度為31.3,臨界壓力為72.80大氣壓,二氧化碳具有升華特性,升華點(diǎn)78.5(1個(gè)大氣壓)。在低溫加壓下,co2氣體可變?yōu)橐簯B(tài),利用蒸發(fā)潛熱,可做成雪片狀固體,進(jìn)一步冷卻加壓可制成干冰。氣態(tài)二氧化碳的密度為1.976kg/m3(0,1個(gè)大氣壓),是空氣密度的1.529倍,液態(tài)二氧化碳的密度與溫度關(guān)系較大,20時(shí)的密度為1.01kg/l,在溫度15、1大氣壓下,1噸液態(tài)二氧化碳體積膨脹約640倍。液態(tài)二氧化碳汽化及固態(tài)二氧化碳升華時(shí)都吸收大量的熱,固態(tài)二氧化碳升華時(shí)吸熱137kcal/kg,干冰的制冷能力約是水冰的2倍,液態(tài)二氧化碳汽化吸熱隨溫度的不同

7、而不同。由于二氧化碳是一種窒息性氣體,注入火區(qū)后可降低氧氣含量,使火區(qū)因缺氧而窒息。此外,液體二氧化碳和固體二氧化碳在汽化和升華過(guò)程中,會(huì)吸收大量的熱,使火區(qū)溫度下降,加快火區(qū)的熄滅。因此,液態(tài)co2用于煤層火災(zāi)防治除具有惰氣防滅火作用的共性外,還具有下述特點(diǎn):1)液態(tài)co2滅火時(shí),co2從儲(chǔ)存系統(tǒng)中噴放出來(lái),壓力會(huì)驟然下降,使co2迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài),co2比空氣的密度大,在熄滅底部火災(zāi)時(shí),可快速沉入底部而擠出氧氣,并在火區(qū)內(nèi)擴(kuò)散充滿其空間,使火區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速下降。2)液態(tài)co2內(nèi)沒(méi)有氧氣,向煤層自燃高溫火區(qū)內(nèi)壓注時(shí),可完全避免由于注入惰氣時(shí),可能帶入氧氣而造成的不利影響。3)液態(tài)co2

8、汽化吸收大量的熱,注入高溫火區(qū)的co2氣體溫度低,不僅具有對(duì)火區(qū)惰化和抑爆的能力,而且可以吸收大量的熱,從而降低火區(qū)溫度。3液態(tài)二氧化碳防滅火性能分析液態(tài)二氧化碳中無(wú)氧氣、溫度低,且對(duì)瓦斯有抑爆作用,灌注時(shí)系統(tǒng)流量大,易于調(diào)控,能夠?qū)崿F(xiàn)封閉區(qū)域的快速惰化、降溫和抑爆。該系統(tǒng)與注氮防滅火系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):惰化速度快。對(duì)已采完封閉的綜放采空區(qū),使用注氮防滅火系統(tǒng)約需710天,注入氮?dú)?0萬(wàn)m3才能使封閉區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度降至5%以下;而壓注液態(tài)co2,僅需用兩個(gè)班的時(shí)間,注入約2萬(wàn)m3的co2就可達(dá)到該目的,防滅火效率提高約10倍。降溫效果明顯。氣化后的co2經(jīng)管路輸送至壓注地點(diǎn)后,出口溫度低,

9、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)氣體出口溫度為16時(shí),向封閉的采空區(qū)內(nèi)壓注僅4h,其溫度就會(huì)降低23。抑爆效果好。co2氣體能使發(fā)生瓦斯爆炸的ch4濃度下限值升高。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)混合氣體內(nèi)的co2濃度達(dá)到20%時(shí),即使氧氣濃度為15%,瓦斯?jié)舛冗_(dá)到9%,也不會(huì)發(fā)生氣體爆炸。灌注流量大。液態(tài)co2的氣體溫度為-20左右,僅需很少的熱量就能使其實(shí)現(xiàn)迅速氣化(產(chǎn)氣量可輕易達(dá)到1500m3/h以上),而且通過(guò)液態(tài)co2流量與氣化溫度的控制能夠?qū)崿F(xiàn)氣液兩相輸送,使得其出口溫度更低,輸送氣體流量更大。系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單,初期投資小,使用成本相對(duì)較低,性價(jià)比好。液態(tài)co2可從距銅川約100km的興平化工廠購(gòu)買,每噸價(jià)格(含

10、運(yùn)費(fèi))約1000元,氣化后可產(chǎn)生氣態(tài)co2約600m3,成本約1.6元/m3。由于其防滅火效率是注氮的10倍,因此轉(zhuǎn)換為氮?dú)?,其成本僅為0.16元/m3。 液態(tài)二氧化碳防滅火應(yīng)用工藝及系統(tǒng)裝備使用液態(tài)二氧化碳對(duì)礦井煤層火災(zāi)進(jìn)行防治,需解決的關(guān)鍵問(wèn)題是應(yīng)用工藝。1)系統(tǒng)及工藝構(gòu)成液態(tài)co2防滅火系統(tǒng)由地面液態(tài)co2槽車、汽化器、控制裝置(流量、壓力、溫度)和輸氣管等構(gòu)成。液態(tài)co2由專門(mén)的運(yùn)輸設(shè)備從化工廠運(yùn)至礦井,在地面將液態(tài)co2直接汽化成co2氣體(或氣液兩相流),經(jīng)注漿管路輸送到滅火地點(diǎn),選擇適合的釋放口位置注入到火區(qū)(見(jiàn)圖1)。圖1液態(tài)二氧化碳防滅火系統(tǒng)工藝流程圖系統(tǒng)工作流程:從運(yùn)送二氧

11、化碳槽車上壓出的液體經(jīng)過(guò)壓力調(diào)節(jié),流量控制后進(jìn)入汽化器,汽化器置入水箱內(nèi),水箱內(nèi)的水由電加熱,汽化器吸收熱量以后,將其管內(nèi)流動(dòng)的液體變成氣體,經(jīng)過(guò)儲(chǔ)氣罐和流量、壓力、溫度等控制裝置通過(guò)注漿管路送到用氣地點(diǎn)。系統(tǒng)裝備見(jiàn)圖2,工作流程見(jiàn)附圖。系統(tǒng)主要參數(shù)如下:運(yùn)輸(由廠家負(fù)責(zé)):地面低溫運(yùn)輸槽車每車最大可儲(chǔ)運(yùn)20噸液態(tài)co2;出口壓力:0.6mpa;產(chǎn)氣量:10002000m3/h;出口溫度:-10;輸送距離:5km;圖2 液態(tài)二氧化碳防滅火裝備系統(tǒng)尺寸:4m4m3.5m。該液態(tài)co2防滅火系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)便、連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。地面低溫運(yùn)輸槽車每車最大可儲(chǔ)運(yùn)20噸的液態(tài)c

12、o2;液態(tài)co2溫度在-18-20左右;出口壓力最高可達(dá)2mpa;系統(tǒng)產(chǎn)氣量為10002000m3/h;輸送距離可達(dá)10km,能實(shí)現(xiàn)大流量壓注液態(tài)co2迅速熄滅火區(qū)的效果。2)液態(tài)二氧化碳的來(lái)源和儲(chǔ)運(yùn)液態(tài)二氧化碳的來(lái)源一般是礦井附近的化工廠,當(dāng)?shù)V井需要時(shí),用專門(mén)的運(yùn)輸設(shè)備從化工廠運(yùn)到礦井,再用不同的方式輸送到滅火地點(diǎn)。液態(tài)二氧化碳的貯存系統(tǒng)可分為高壓和低壓兩種,高壓系統(tǒng)的貯存壓力為5.17mpa,貯存器中二氧化碳的溫度與貯存地點(diǎn)的環(huán)境溫度有關(guān),因此,容器必須能夠承受最高預(yù)期溫度時(shí)所產(chǎn)生的壓力;低壓系統(tǒng)的貯存壓力為2.07mpa,貯存容器內(nèi)的二氧化碳滅火劑溫度利用絕緣和制冷手段被控制在-18 -

13、20。從化工廠向礦井運(yùn)輸液態(tài)二氧化碳主要有兩種設(shè)備,一是專用的低溫槽車,槽車主要由貯槽、經(jīng)改裝后的汽車、操作箱、低溫液體泵、增壓氣和金屬軟管組成,其中貯槽采用真空粉末絕熱,或高真空多層絕熱,蒸發(fā)損失小,安全可靠,但是其價(jià)格高,體積大,只能在地面運(yùn)輸使用。二是常溫高壓儲(chǔ)氣瓶(罐),由一個(gè)承壓容器和必要的充裝、釋放接口及安全裝置組成,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,可以直接運(yùn)輸?shù)骄轮鸬攸c(diǎn)附近釋放滅火,使用方便,但是其要求承壓高,并且充滿率不高(容積的60%),撲滅礦井自然火災(zāi)時(shí),由于惰氣用量較大,所以儲(chǔ)氣瓶(罐)的用量多。充裝氣瓶時(shí)需要將氣瓶運(yùn)到化工廠,運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中不安全因素多,另外,高壓儲(chǔ)氣瓶(罐)

14、作為一種壓力容器,日常管理麻煩。根據(jù)液態(tài)二氧化碳的性質(zhì)和國(guó)家有關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求,常溫高壓儲(chǔ)存,運(yùn)輸時(shí),其儲(chǔ)存罐的工作壓力不得低于15mpa,儲(chǔ)存1萬(wàn)m3液態(tài)二氧化碳約投資10萬(wàn)元,制造成本高,并且充裝液態(tài)二氧化碳只能將儲(chǔ)存罐運(yùn)到化工廠充裝。采用低溫小罐儲(chǔ)運(yùn)時(shí),其運(yùn)輸、釋放都有嚴(yán)格的要求,一旦保溫層損壞極易造成爆炸事故。采用小儲(chǔ)存罐裝運(yùn)液態(tài)二氧化碳到井下火災(zāi)地點(diǎn)附近滅火,顯然充裝、運(yùn)輸、安全管理及儲(chǔ)存罐的日常管理都較麻煩,不宜采用。根據(jù)亭南煤礦的實(shí)際情況,液態(tài)co2可從陜西興平化工廠購(gòu)買,每噸價(jià)格(含運(yùn)費(fèi))約1000元。興平化工廠現(xiàn)有車輛低溫運(yùn)輸槽車中液態(tài)二氧化碳在1820的壓力為2mp

15、a,這種壓力和溫度的流體,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)gb8163輸送流體用無(wú)縫鋼管的規(guī)定,可以直接用礦井現(xiàn)有的注漿或壓風(fēng)管路向滅火地點(diǎn)輸送,但是井下管路常溫是25左右,輸入20的二氧化碳后溫度降低45,管路將收縮,經(jīng)計(jì)算,溫度降低45,350m長(zhǎng)的管路約收縮157mm,如此的伸縮量井筒及鉆孔中的管路難以承受,極有可能被拉斷。應(yīng)采用汽化器將液態(tài)的二氧化碳汽化升溫后,再注入管路系統(tǒng),較為安全可靠。3)液態(tài)二氧化碳的注入方法目前,各國(guó)利用液態(tài)二氧化碳防滅火,采用的注入方法基本上有以下兩種:將液態(tài)二氧化碳直接注入火區(qū)波蘭在地面將液態(tài)二氧化碳裝入專用的礦車貯槽,然后輸送到井下使用地點(diǎn),再將礦車貯槽接至壓送設(shè)備,液態(tài)二

16、氧化碳通過(guò)增壓器(氣瓶)或自身汽化壓力,沿管路壓入火區(qū)。這種方法中,液態(tài)二氧化碳從-20的溫度注入火區(qū)內(nèi),蒸發(fā)吸熱,降溫效果好,冷卻火區(qū)的能力大,滅火效果好,其缺點(diǎn)是:需使用專用的低溫設(shè)備將液態(tài)二氧化碳運(yùn)輸至井下,灌注流量受限。將液態(tài)二氧化碳在地面上汽化為二氧化碳?xì)怏w(或氣液兩相流)將液態(tài)二氧化碳在地面上汽化為二氧化碳?xì)怏w,然后通過(guò)將管路將二氧化碳?xì)怏w注入火區(qū)。德、蘇聯(lián)等國(guó)將液態(tài)二氧化碳汽化后,通過(guò)直徑為100150mm的壓氣管路、注水管或泥漿管將氣體注入火區(qū)。這種方法的缺點(diǎn)是:二氧化碳冷卻作用相對(duì)較小,輸送管路長(zhǎng),其優(yōu)點(diǎn)是:即沿管路輸送二氧化碳比往井下輸送液態(tài)二氧化碳方便,且流量大,因而通常

17、采用這種方法較多。根據(jù)亭南煤礦的實(shí)際情況下,將液態(tài)二氧化碳直接運(yùn)輸?shù)綔缁鸬攸c(diǎn)附近,難度大,注入量小,不易管理。因此,采用將二氧化碳在地面釋放,經(jīng)汽化后通過(guò)注漿管路壓注到火區(qū),運(yùn)輸方便,可以實(shí)現(xiàn)大流量、連續(xù)的灌注二氧化碳。4)液態(tài)二氧化碳釋放口的選擇向火區(qū)注co2氣體時(shí),為減少耗co2氣體量,快速滅火,要根據(jù)火區(qū)的條件、火源的位置,選擇最佳二氧化碳釋放口位置,選擇原則是使co2氣體在火區(qū)內(nèi)用最短的路線到達(dá)火點(diǎn),沖淡火區(qū)氧氣含量,對(duì)火區(qū)進(jìn)行惰化和降溫?;夭晒ぷ髅嫦虿煽諈^(qū)注二氧化碳防滅火的方法一般有兩種:打鉆注二氧化碳和埋管注二氧化碳。前種方法是利用火區(qū)附近的巷道向火區(qū)打鉆,利用鉆孔向火區(qū)注入二氧化

18、碳。當(dāng)對(duì)采空區(qū)火點(diǎn)掌握較為準(zhǔn)確時(shí),還可利用區(qū)段運(yùn)輸集中巷,在火點(diǎn)附近集中巷內(nèi)作一段35m的小石門(mén),在石門(mén)內(nèi)打鉆孔,通過(guò)鉆孔向火區(qū)注入惰氣。后一種方法是將注二氧化碳管路埋設(shè)在工作面進(jìn)風(fēng)順槽或靠近火區(qū)其它巷道,根據(jù)火源的位置,二氧化碳?xì)忉尫趴诳刹贾迷诠ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)端頭采空區(qū),或切眼下部和上部。壓注二氧化碳用于處理回采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火時(shí),要認(rèn)真封堵其可能的漏風(fēng)點(diǎn),通過(guò)施工鉆孔向采空區(qū)注二氧化碳時(shí),采空區(qū)應(yīng)注意觀察二氧化碳的流向,工作面配風(fēng)要能夠沖淡二氧化碳的濃度。5)液態(tài)二氧化碳的汽化設(shè)備將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化成氣態(tài),一般都得使用汽化器,可歸納成以下幾種:室溫汽化器:即利用空氣溫度將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化成氣

19、態(tài)。在室溫20時(shí),汽化流量通常為3m3/min。蒸汽加熱汽化器:在礦井地面需要具備鍋爐房和蒸汽車,使用蒸汽將液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。自帶熱能的汽化器:現(xiàn)代化礦井多數(shù)使用這種汽化器,其種類較多,西德使用以下三種:丙烷加熱水浴汽化器,用丙烷燃燒器直接加熱水浴,汽化能力為100m3/min。另外一種是丙烷加熱螺旋汽化器,是利用炳烷直接加熱螺旋管汽化液態(tài)二氧化碳。還有一種是移動(dòng)式間接的油加熱水浴汽化器,是裝在拖車上的水浴式汽化器,本身帶有獨(dú)立的燃燒油的水加熱器。6)輸氣管液態(tài)二氧化碳在地面汽化向井下輸送時(shí),在很多情況下,可使用礦井中現(xiàn)有的風(fēng)管、水管、注漿管或者井下瓦斯抽放管。急需時(shí),上述管路在我國(guó)礦井

20、中都不難解決,當(dāng)?shù)V井現(xiàn)有管路另有別用時(shí)不能用于滅火或沒(méi)有獨(dú)立的管路時(shí),可以備用專門(mén)管路。西德煤礦中備用這樣的管路,直徑為150mm,每節(jié)為2030m,使用時(shí)必須持牢固,防止抖動(dòng),一直接到密閉墻或分支管上,并與滅火噴嘴接通。在井下汽化時(shí),礦車貯槽直接將液態(tài)二氧化碳輸送到火區(qū)附近巷道內(nèi),再用一段專用管從礦車貯槽接至火區(qū)。該管需是銅鋁管或不銹鋼管,管徑為5070mm,在管外加纏絕熱保護(hù)層,以保持低溫,冷卻火區(qū)。還有的用雙層無(wú)縫鋼管,外管徑為50mm,內(nèi)管徑為25mm,兩管之間抽真空,每根10m左右。在亭南煤礦可使用井下的注氮管網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)co2的輸送,將液態(tài)co2經(jīng)水液汽化器汽化成co2氣體(或氣液兩相流)向井下輸送。5 液態(tài)二氧化碳?jí)鹤⒐に囅到y(tǒng)的使用與維護(hù)開(kāi)始向火區(qū)注惰氣前,必須用惰氣沖洗整個(gè)管道,并用氧氣鑒定器不斷測(cè)定管道排氣中的氧氣濃度,只有當(dāng)

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